3D-Druck und Bionik: Virtuelle Umgebungen beleben Konstruktion

Bauteile haben oft eine lange Entwicklungsgeschichte. Hersteller setzen auf bewährte Materialien und Konstruktionen, die in der Vergangenheit etwa eine hohe Stabilität und eine lange Haltbarkeit versprachen. In den letzten Jahren fand jedoch ein Umdenken statt. Mit der Rückbesinnung auf Vorbilder aus der Natur und neuen digitalen Herstellungsverfahren, können Unternehmen heute neue Wege gehen und zudem auch wirtschaftlicher arbeiten.

Die additive Fertigung legt dazu den Grundstein. Selbst komplexeste Bauformen lassen sich nun realisieren, die in ihrer Konstruktion und Beschaffenheit an der Natur angelehnt sind. So versprechen etwa Waben- oder auch Spiralanordnungen einen verbesserten Aufbau, bei gleichzeitig geringerem Gewicht und optimierter Materialverwendung. Laut einer Bitkom Studie lässt sich durch eine bionische Konstruktionsmethode mit kombinierter Herstellung im 3D-Drucker das Gewicht von Bauteilen um bis zu 90 Prozent reduzieren. Als Schlüsselfaktor gilt jedoch dabei, dass die Entwicklung des Produktes in einer vollständig virtualisierten und auf additive Fertigung spezialisierten Umgebung geschieht, um Entwicklungssprünge zu realisieren und zugleich langfristig Herstellungskosten zu minimieren.

Die Grundlage bildet eine Plattform, die es ermöglicht, den Schaffungsprozess in seiner Gesamtheit abzubilden. Dies ist oftmals eine strategische Entscheidung für Unternehmen, da sie langerprobte Konstruktionsschritte von Grund auf neu definieren müssen. Additive Manufacturing ist dabei nur die konsequente Weiterentwicklung, der früher unter Prototyping zusammengefasst wurde. Zwei zentrale Aspekte sind jedoch Basis eines modernen additiven Konstruktionsvorgangs: Zum einen sind durch die neuen technologischen Möglichkeiten die Grenzen von Additive Manufacturing heute weiter denn je.

Topologie-Optimierung wird schon seit längerer Zeit angewendet, jetzt erst kann jedoch die ganze Bandbreite dieser Technik ausgeschöpft werden. Dies führt dazu, dass sich die Materialanforderungen erhöht haben, ideale Druckvorgänge erst geschaffen werden müssen und die Produktqualität den exakten Anforderungen entsprechen müssen, die zu Beginn des Prozesses definiert wurden. Daher müssen zum anderen viele Schritte in einer kompakten Art und Weise koordiniert werden und verschiedene Ingenieursdisziplinen miteinander stärker kommunizieren. Hier kommt der Plattformgedanke zum Zuge, der den Austausch zwischen Experten ermöglicht und so ganzheitliches Additive Manufacturing zulässt.

„Eine Business-Plattform, die die Möglichkeiten des modernen 3D-Drucks abbilden kann und zeitgleich unterschiedlichen Entwicklern zugänglich ist, bildet den Schlüssel für ein neues Zeitalter in der Fertigung“, erklärt Florian Jurecka, Director Simulia EuroCentral & Russia bei Dassault Systèmes. „Als Basis dient, wie etwa bei der 3DExperience-Plattform, eine gemeinsame grafische Oberfläche sowie ein einheitliches Datenmodell.“ Wo bislang in der Produktentwicklung in voneinander getrennten Prozessen gearbeitet wurde, steht nun ein übergreifender Prozess voran. Statt etwa Geometrie-, Fertigungs- sowie Simulationsmodelle eines Bauteils zu erstellen, können durch einheitliche Daten, welche in jedem Konstruktionsschritt zugänglich sind, auf einer kollaborativen Plattform all diese Modelle miteinander verknüpft werden. In der virtuellen Umgebung werden dadurch beispielsweise Änderungen an der Geometrie sofort auch in Funktionsmodellen umgesetzt. Dies spart wertvolle Entwicklungszeit, da die einzelnen Schritte nicht von Beginn an neu durchgeführt werden müssen.

Die digitale Abbildung aller einzelnen Schritte in der additiven Fertigung unterstützt damit Konstrukteure, funktionale Anforderungen mit neuem Bauteildesign schneller zu verknüpfen. In der Bionik stellt dies einen enormen Vorteil dar, da nun natürliche Strukturen schneller, präziser und genauer nachgebildet und durch umfangreiche sowie kostengünstige Simulationen diese rascher analysiert und verglichen werden können. Zudem lassen sich leichte Abweichungen des über 3D-Druck hergestellten Bauteils bereits in einer virtuellen Umgebung vorhersagen und somit in der Planung berücksichtigen. Dies bringt zusätzliche Einsparungen in der Herstellung. Zurückkommend auf die Nachbildung der Natur in der Konstruktion, zeigt sich, wie das Verschmelzen moderner additiver Herstellungsverfahren in Kombination mit einer virtuellen Produktionsumgebung für viele Unternehmen Vorteile bietet.

Aus der Natur ist bekannt, dass etwa nur an neuralgischen Stellen mehr Material wächst, wie etwa bei Ästen. Diese evolutionäre Entwicklung schafft maximale Stabilität bei gleichzeitiger Optimierung des Gewichts. Simulationslösungen können diese Potenziale bei Bauteilen erkennen. Zudem sind neueste Herstellungsverfahren in der additiven Fertigung erstmals in der Lage, auch feinste Strukturen nachzubilden, die zusätzliche Einsparungen ermöglichen. Dies bedeutet: Ein Plus an Stabilität, Haltbarkeit bei gleichzeitiger Verringerung des Materialgewichts sowie der benötigten Kosten. „Unsere Plattform schafft die Basis, von der Natur zu lernen und diese Erkenntnisse in ein virtuelles Modell zu übertragen,“ so Jurecka. „Wir geben Anwendern damit ein Werkzeug an die Hand, mit dem echte Innovationen möglich sind. Und wir helfen zudem dabei, wertvolle Ressourcen zu schonen.“ hw